Войти
Теория старения с повреждениями ДНК предполагает, что старение является следствием неустраненного накопления естественных повреждений ДНК. Повреждение в этом контексте - это изменение ДНК, имеющее ненормальную структуру. Хотя повреждение митохондриальной и ядерной ДНК может способствовать старению, ядерная ДНК является основным предметом этого анализа. Повреждение ядерной ДНК может способствовать старению либо косвенно (путем увеличения апоптоза или клеточного старения ), либо напрямую (путем увеличения дисфункции клеток).
В нескольких обзорных статьях показано, что недостаточная репарация ДНК, приводящая к большему накоплению повреждений ДНК, вызывает преждевременное старение; и что усиление репарации ДНК способствует увеличению продолжительности жизни. Мышиные модели синдромов удаления и репарации нуклеотидов обнаруживают поразительную корреляцию между степенью нарушения специфических путей репарации ДНК и тяжестью ускоренного старения, что убедительно указывает на причинную связь. Исследования популяций человека показывают, что однонуклеотидный полиморфизм в генах репарации ДНК, вызывающий повышенную регуляцию их экспрессии, коррелирует с увеличением продолжительности жизни. Ломбард и др. составил длинный список мутационных моделей мышей с патологическими признаками преждевременного старения, вызванными различными дефектами репарации ДНК. Фрейтас и де Магальяйнс представили всесторонний обзор и оценку теории старения о повреждении ДНК, включая подробный анализ многих форм свидетельств, связывающих повреждение ДНК со старением. В качестве примера они описали исследование, показывающее, что у долгожителей в возрасте от 100 до 107 лет уровень двух ферментов репарации ДНК, PARP1 и Ku70 был выше, чем у пожилых людей в общей популяции От 69 до 75 лет. Их анализ подтвердил гипотезу о том, что улучшение восстановления ДНК ведет к увеличению продолжительности жизни. В целом, они пришли к выводу, что, хотя сложность реакции на повреждение ДНК остается лишь частично понятной, идея о том, что накопление повреждений ДНК с возрастом является основной причиной старения, остается интуитивной и действенной.
У людей и других млекопитающих, Повреждения ДНК происходят часто, и репарация ДНК эволюционировала, чтобы компенсировать это. По оценкам, сделанным для мышей, повреждения ДНК возникают в среднем от 25 до 115 раз в минуту в каждой клетке, или от 36000 до 160000 на клетку в день. Некоторые повреждения ДНК могут оставаться в любой клетке, несмотря на действие процессов восстановления. Накопление невосстановленных повреждений ДНК более распространено в определенных типах клеток, особенно в нереплицирующихся или медленно реплицирующихся клетках, таких как клетки головного мозга, скелетных и сердечных мышц.
8-Гидроксидезоксигуанозин Чтобы понять теорию старения о повреждении ДНК, важно различать повреждение ДНК и мутацию - две основные типы ошибок, возникающих в ДНК. Повреждение и мутация принципиально разные. Повреждение ДНК - это любая физическая аномалия в ДНК, такая как разрывы одно- и двухцепочечных цепей, остатки 8-гидроксидезоксигуанозина и аддукты полициклических ароматических углеводородов. Повреждения ДНК могут быть распознаны ферментами и, таким образом, могут быть правильно восстановлены с использованием дополнительной неповрежденной последовательности в гомологичной хромосоме, если она доступна для копирования. Если в клетке сохраняется повреждение ДНК, транскрипция гена может быть предотвращена и, таким образом, трансляция в белок также будет заблокирована. Репликация также может быть заблокирована и / или клетка может погибнуть. Описание пониженной функции, характерной для старения и связанной с накоплением повреждений ДНК, приводится ниже в этой статье.
В отличие от повреждения ДНК, мутация - это изменение последовательности оснований ДНК. Мутация не может быть распознана ферментами, если изменение основания присутствует в обеих цепях ДНК, и, таким образом, мутация не может быть исправлена. На клеточном уровне мутации могут вызывать изменения в функции и регуляции белков. Мутации воспроизводятся при репликации клетки. В популяции клеток частота мутантных клеток будет увеличиваться или уменьшаться в зависимости от воздействия мутации на способность клетки выживать и воспроизводиться. Хотя повреждения ДНК и мутации явно отличаются друг от друга, они связаны между собой, поскольку повреждения ДНК часто вызывают ошибки синтеза ДНК во время репликации или репарации, и эти ошибки являются основным источником мутаций.
Учитывая эти свойства повреждения и мутации ДНК, можно видеть, что повреждения ДНК представляют собой особую проблему в неделящихся или медленно делящихся клетках, где непоправленные повреждения будут накапливаться с течением времени.. С другой стороны, в быстро делящихся клетках невосстановленные повреждения ДНК, которые не убивают клетку путем блокирования репликации, будут иметь тенденцию вызывать ошибки репликации и, следовательно, мутации. Подавляющее большинство мутаций, которые не являются нейтральными по своему действию, вредны для выживания клетки. Таким образом, в популяции клеток, включающей ткань с реплицирующимися клетками, мутантные клетки будут иметь тенденцию к потере. Однако нечастые мутации, которые обеспечивают преимущество в выживании, будут иметь тенденцию к клональному разрастанию за счет соседних клеток в ткани. Это преимущество клетки невыгодно для всего организма, потому что такие мутантные клетки могут вызывать рак. Таким образом, повреждения ДНК в часто делящихся клетках, поскольку они вызывают мутации, являются основной причиной рака. Напротив, повреждения ДНК в редко делящихся клетках, вероятно, являются основной причиной старения.
Первым, кто предположил, что повреждение ДНК, в отличие от мутации, является основной причиной старения, был Александр в 1967 году. К началу 1980-х годов в литературе появилась значительная экспериментальная поддержка этой идеи. К началу 1990-х годов экспериментальная поддержка этой идеи была значительной, и, кроме того, становилось все более очевидным, что окислительное повреждение ДНК, в частности, является основной причиной старения.
В серии статей с 1970 по 1977 год, П.В. Нарасимх Ачарья, Phd. (1924–1993) теоретизировали и представили доказательства того, что клетки подвергаются «непоправимому повреждению ДНК», в результате чего сшивание ДНК происходит, когда не удается как нормальные процессы восстановления клеток, так и апоптоз клеток. В частности, Ачарья отметил, что двухцепочечные разрывы и «перекрестное сшивание, соединяющее обе цепи в одной и той же точке, непоправимо, потому что ни одна из цепей не может служить шаблоном для ремонта. Клетка погибнет в следующем митозе или в некоторых редких случаях, мутировать. "
В тканях, состоящих из не- или редко реплицирующихся клеток, повреждения ДНК могут накапливаться с возрастом и приводить к потере клетки или, в выживших клетках, потерю экспрессии генов. Накопленные повреждения ДНК обычно измеряются напрямую. Многочисленные исследования этого типа показали, что окислительное повреждение ДНК особенно важно. Потеря экспрессии конкретных генов может быть обнаружена как на уровне мРНК, так и на уровне белка.
Мозг взрослого человека состоит в значительной части из терминально дифференцированных неделящихся нейронов. Многие заметные признаки старения отражают снижение нейрональной функции. Накопление повреждений ДНК с возрастом в головном мозге млекопитающих было зарегистрировано в период с 1971 по 2008 год как минимум в 29 исследованиях. Это повреждение ДНК включает окисленный нуклеозид 8-оксо-2'-дезоксигуанозин (8-oxo-dG), одно- и двухцепочечные разрывы, ДНК -белковые сшивки и аддукты малонового диальдегида (см. обзор Bernstein et al.). Сообщалось об увеличении повреждения ДНК с возрастом в мозге мышей, крыс, песчанок, кроликов, собак и людей.
Руттен и др. показали, что однонитевые разрывы накапливаются в мозге мыши с возрастом. Молодые 4-дневные крысы имеют около 3000 одноцепочечных разрывов и 156 двухцепочечных разрывов на нейрон, тогда как у крыс старше 2 лет уровень повреждений увеличивается примерно до 7400 одноцепочечных разрывов и 600 двухцепочечных разрывов на нейрон.. Sen et al. показали, что повреждения ДНК, которые блокируют полимеразную цепную реакцию в мозгу крыс, накапливаются с возрастом. Суэйн и Рао наблюдали заметное увеличение нескольких типов повреждений ДНК в головном мозге стареющих крыс, включая однонитевые разрывы, двухцепочечные разрывы и модифицированные основания (8-OHdG и урацил). Wolf et al. также показали, что окислительное повреждение ДНК 8-OHdG накапливается в мозге крысы с возрастом. Аналогичным образом было показано, что с возрастом человека от 48 до 97 лет 8-OHdG накапливается в головном мозге.
Lu et al. изучили профили транскрипции лобной коры головного мозга людей в возрасте от 26 до 106 лет. Это привело к идентификации набора генов, экспрессия которых изменилась после 40 лет. Эти гены играют центральную роль в синаптической пластичности, везикулярном транспорте и митохондриальной функции. В мозге промоторы генов со сниженной экспрессией заметно увеличивают повреждение ДНК. В культивируемых нейронах человека эти промоторы генов избирательно повреждаются окислительным стрессом. Таким образом, Лу и др. пришел к выводу, что повреждение ДНК может снизить экспрессию избирательно уязвимых генов, участвующих в обучении, памяти и выживании нейронов, инициируя программу старения мозга, которая начинается в раннем возрасте.
Сила мышц и выносливость для устойчивых физических усилий, функция которых с возрастом снижается у людей и других видов. Скелетная мышца представляет собой ткань, состоящую в основном из многоядерных миофибрилл, элементов, которые возникают в результате слияния мононуклеарных миобластов. Накопление повреждений ДНК с возрастом в мышцах млекопитающих было зарегистрировано по крайней мере в 18 исследованиях с 1971 года. Hamilton et al. сообщили, что окислительное повреждение ДНК 8-OHdG накапливается в сердце и скелетных мышцах (а также в головном мозге, почках и печени) как у мышей, так и у крыс с возрастом. У людей с возрастом сообщалось об увеличении содержания 8-OHdG в скелетных мышцах. Каталаза - это фермент, который удаляет перекись водорода, активные формы кислорода, и тем самым ограничивает окислительное повреждение ДНК. У мышей, когда экспрессия каталазы повышается конкретно в митохондриях, окислительное повреждение ДНК (8-OHdG) в скелетных мышцах уменьшается, а продолжительность жизни увеличивается примерно на 20%. Эти данные свидетельствуют о том, что митохондрии являются значительным источником окислительных повреждений, способствующих старению.
Синтез белка и деградация белка в скелетных и сердечных мышцах с возрастом снижаются, как и следовало ожидать, поскольку повреждение ДНК блокирует транскрипцию генов. В 2005 году Piec et al. обнаружили многочисленные изменения в экспрессии белков в скелетных мышцах крыс с возрастом, включая более низкие уровни некоторых белков, связанных с миозином и актином. Сила создается в поперечно-полосатой мышце за счет взаимодействия между толстыми филаментами миозина и тонкими филаментами актина.
Гепатоциты печени обычно не делятся и кажутся окончательно дифференцированными, но они сохраняют способность размножаться при повреждении. С возрастом масса печени уменьшается, кровоток снижается, метаболизм нарушается, происходят изменения в микроциркуляции. По крайней мере, 21 исследование сообщило об увеличении повреждения ДНК в печени с возрастом. Например, Helbock et al. по оценкам, устойчивый уровень окислительных изменений оснований ДНК увеличился с 24 000 на клетку в печени молодых крыс до 66 000 на клетку в печени старых крыс.
Изменения в почках с возрастом включают уменьшение как почечного кровотока, так и скорости клубочковой фильтрации, а также нарушение способности концентрировать мочу и сохранять натрий и воду. Повреждения ДНК, особенно окислительные повреждения ДНК, увеличиваются с возрастом (не менее 8 исследований). Например, Hashimoto et al. показали, что с возрастом 8-OHdG накапливается в ДНК почек крысы.
Тканеспецифические стволовые клетки продуцируют дифференцированные клетки через ряд все более коммитированных промежуточных продуктов-предшественников. В гематопоэзе (образование клеток крови) процесс начинается с долговременных гемопоэтических стволовых клеток, которые самообновляются, а также продуцируют клетки-потомки, которые при дальнейшей репликации проходят ряд стадий, ведущих к дифференцированным клеткам без способности к самообновлению. У мышей недостаточность репарации ДНК, по-видимому, ограничивает способность гемопоэтических стволовых клеток размножаться и самообновляться с возрастом. Шарплесс и Депиньо рассмотрели доказательства того, что гемопоэтические стволовые клетки, а также стволовые клетки в других тканях подвержены естественному старению. Они предположили, что стволовые клетки стареют отчасти в результате повреждения ДНК. Повреждение ДНК может запускать сигнальные пути, такие как апоптоз, которые способствуют истощению запасов стволовых клеток. Это наблюдалось в нескольких случаях ускоренного старения, а также может происходить при нормальном старении.
Ключевым аспектом выпадения волос с возрастом является старение волосяного фолликула. Обычно обновление волосяного фолликула поддерживается стволовыми клетками, связанными с каждым фолликулом. Старение волосяного фолликула, по-видимому, происходит из-за повреждения ДНК, которое накапливается в обновляющихся стволовых клетках во время старения.
Популярная идея, не получившая значительной экспериментальной поддержки Это идея, что мутации, в отличие от повреждения ДНК, являются основной причиной старения. Как обсуждалось выше, мутации, как правило, возникают в часто реплицирующихся клетках в результате ошибок синтеза ДНК, когда матричная ДНК повреждена, и могут вызвать рак. Однако у мышей с возрастом количество мутаций в мозге не увеличивается. У мышей с дефектом гена (Pms2), который обычно корректирует неправильные пары оснований в ДНК, частота мутаций во всех тканях увеличивается примерно в 100 раз, но, похоже, они не стареют быстрее. С другой стороны, мыши с дефектом в одном конкретном пути репарации ДНК демонстрируют явное преждевременное старение, но не имеют повышенных мутаций.
Один из вариантов идеи о том, что мутации являются основой старения, получил много внимания, заключается в том, что именно мутации в митохондриальной ДНК являются причиной старения. Несколько исследований показали, что мутации с возрастом накапливаются в митохондриальной ДНК в редко реплицирующихся клетках. Гамма-ДНК-полимераза - это фермент, который реплицирует митохондриальную ДНК. Мутантная мышь с дефектом в этой ДНК-полимеразе способна только неточно реплицировать свою митохондриальную ДНК, поэтому бремя мутаций у нее в 500 раз выше, чем у нормальных мышей. У этих мышей не было явных признаков быстро ускоренного старения. В целом, наблюдения, обсуждаемые в этом разделе, показывают, что мутации не являются основной причиной старения.
У грызунов ограничение калорийности замедляет старение и увеличивает продолжительность жизни. По крайней мере, 4 исследования показали, что ограничение калорийности снижает повреждение 8-OHdG в различных органах грызунов. Одно из этих исследований показало, что ограничение калорийности снижает накопление 8-OHdG с возрастом в мозге, сердце и скелетных мышцах крыс, а также в мозге, сердце, почках и печени мышей. Совсем недавно Вольф и др. показали, что ограничение питания снижает накопление 8-OHdG с возрастом в мозге, сердце, скелетных мышцах и печени крыс. Таким образом, уменьшение окислительного повреждения ДНК связано с более медленным старением и увеличением продолжительности жизни.
Если повреждение ДНК является основной причиной старения, можно ожидать, что люди с наследственными дефектами способности восстанавливать повреждения ДНК будут стареть быстрее чем люди без такого дефекта. Известны многочисленные примеры редких наследственных состояний с дефектами репарации ДНК. Некоторые из них демонстрируют множественные поразительные признаки преждевременного старения, а другие имеют меньше таких признаков. Возможно, наиболее поразительными состояниями преждевременного старения являются синдром Вернера (средняя продолжительность жизни 47 лет), прогерия Хучинсона-Гилфорда (средняя продолжительность жизни 13 лет) и синдром Кокейна ( средняя продолжительность жизни 13 лет).
Синдром Вернера возникает из-за наследственного дефекта фермента (геликазы и экзонуклеазы), который действует в эксцизионной репарации оснований ДНК (например, см. Harrigan et al.).
Прогерия Хучинсона-Гилфорда возникает из-за дефекта ламина белка, который образует каркас внутри ядра клетки для организации хроматина и необходим для восстановления двунитевых разрывов ДНК. Ламины A-типа способствуют генетической стабильности, поддерживая уровни белков, которые играют ключевую роль в процессах репарации ДНК негомологичного соединения концов и гомологичной рекомбинации. Клетки мыши, дефицитные для созревания преламина А, демонстрируют повышенное повреждение ДНК и хромосомные аберрации и более чувствительны к агентам, повреждающим ДНК.
Синдром Кокейна возникает из-за дефекта белка, необходимого для процесса репарации, иссечения связанных с транскрипцией нуклеотидов репарация, которая может устранить повреждения, особенно окислительные повреждения ДНК, которые блокируют транскрипцию.
В дополнение к этим трем состояниям, несколько других синдромов человека, которые также имеют дефектную репарацию ДНК, демонстрируют несколько признаков преждевременного старения. К ним относятся атаксия – телеангиэктазия, синдром разрыва Неймегена, некоторые подгруппы пигментная ксеродерма, трихотиодистрофия, анемия Фанкони, синдром Блума и синдром Ротмунда-Томсона.
Ku, связанный с ДНК В дополнение к наследственным синдромам человека экспериментальные мышиные модели с генетическими дефектами репарации ДНК демонстрируют признаки преждевременного старения и продолжительность жизни (например, ссылки). В частности, мутантные мыши, дефектные по Ku70 или Ku80, или двойные мутантные мыши, дефицитные по Ku70 и Ku80, проявляют раннее старение. Средняя продолжительность жизни трех мутантных линий мышей была подобна друг другу и составляла около 37 недель по сравнению со 108 неделями для контроля дикого типа. Были исследованы шесть специфических признаков старения, и было обнаружено, что у трех мутантных мышей были те же признаки старения, что и у контрольных мышей, но в гораздо более раннем возрасте. Заболеваемость раком у мутантных мышей не увеличилась. Ku70 и Ku80 образуют гетеродимерный Ku-белок, необходимый для пути негомологичного соединения концов (NHEJ) репарации ДНК, активный в репарации двухцепочечных разрывов ДНК. Это предполагает важную роль NHEJ в обеспечении долголетия.
Многие авторы отметили связь между дефектами реакции на повреждение ДНК и преждевременным старением (см., Например). Если белок репарации ДНК недостаточен, как правило, накапливаются не восстановленные повреждения ДНК. Такие накопленные повреждения ДНК, по-видимому, вызывают признаки преждевременного старения (сегментарная прогерия ). В таблице 1 перечислены 18 белков репарации ДНК, дефицит которых вызывает многочисленные признаки преждевременного старения.
| Белок | Путь | Описание |
|---|---|---|
| ATR | Нуклеотидная эксцизионная репарация | делеция ATR у взрослых мышей приводит к ряду нарушений, включая потерю волос и поседение, кифоз, остеопороз, преждевременная инволюция тимуса, фиброз сердца и почек и снижение сперматогенеза |
| ДНК-PKcs | Негомологичное соединение концов | более короткая продолжительность жизни, более раннее начало патологий, связанных со старением; более высокий уровень стойкости повреждений ДНК |
| ERCC1 | эксцизионная репарация нуклеотидов, репарация межцепочечных сшивок | недостаточная транскрипционная связанная NER с зависящим от времени накоплением повреждений, блокирующих транскрипцию ; продолжительность жизни мышей сократилась с 2,5 лет до 5 месяцев; Мыши Ercc1 страдают лейкопенией и тромбоцитопенией, и существует обширная жировая трансформация костного мозга, отличительная черта нормального старения у мышей |
| ERCC2 (XPD) | эксцизионная репарация нуклеотидов (также транскрипция как часть TFIIH ) | некоторые мутации в ERCC2 вызывают синдром Коккейна, при котором у пациентов наблюдается сегментарная прогерия с пониженным ростом, умственная отсталость, кахексия (потеря подкожной жировой ткани), нейросенсорная глухота, дегенерация сетчатки и кальцификация центральной нервной системы; другие мутации в ERCC2 вызывают трихотиодистрофию, при которой пациенты имеют сегментарную прогерию с ломкими волосами, низким ростом, прогрессирующими когнитивными нарушениями и аномальной формой лица; другие мутации в ERCC2 вызывают пигментную ксеродерму. (без прогероидного синдрома ) и с экстремальной предрасположенностью к раку кожи, опосредованному солнцем |
| ERCC4 (XPF) | эксцизионная репарация нуклеотидов, межниточная перекрестная связь ремонт, Одн. и отжиг, Опосредованное микрогомологией концевое соединение | мутации в ERCC4 вызывают симптомы ускоренного старения, которые влияют на неврологическую, гепатобилиарную, скелетно-мышечную и кроветворную системы и вызывают старение, сморщенный вид, потерю подкожного жира, дисфункция печени, потеря зрения и слуха, почечная недостаточность, мышечная атрофия, остеопения, кифоз и церебральная атрофия |
| ERCC5 (XPG) | эксцизионная репарация нуклеотидов, гомологичная рекомбинационная репарация, Базовая эксцизионная репарация | у мышей с дефицитом ERCC5 демонстрируют потерю подкожного жира, кифоз, остеопороз, потерю фоторецепторов сетчатки, старение печени, обширную нейродегенерацию и короткую продолжительность жизни 4–5 месяцев |
| ERCC6 (Синдром Кокейна B или CS-B) | эксцизионная репарация нуклеотидов [особенно репарация, связанная с транскрипцией (TC-NER) и репарация межнитевых поперечных связей] | признаки преждевременного старения с более короткой продолжительностью жизни и светочувствительностью, недостаточны транскрипция в сочетании с NER с аккумулятором восстановление неисправных повреждений ДНК, а также дефектное восстановление повреждений ДНК, возникших в результате окисления, включая 8-оксогуанин, 5-гидроксицитозин и циклопурины |
| ERCC8 (синдром Кокейна A или CS- A) | эксцизионная репарация нуклеотидов [особенно репарация, связанная с транскрипцией (TC-NER) и репарация межцепочечных сшивок] | признаки преждевременного старения с более короткой продолжительностью жизни и светочувствительностью, дефицит NER, связанный с транскрипцией с накоплением непоправленных повреждений ДНК, а также дефектной репарацией окислительно созданных повреждений ДНК, включая 8-оксогуанин, 5-гидроксицитозин и циклопурины |
| GTF2H5 (TTDA) | Дефицит эксцизионной репарации нуклеотидов | вызывает трихотиодистрофию (TTD), преждевременное старение и нейроэктодермальное заболевание; люди с мутациями GTF2H5 имеют частично инактивированный белок с замедленной репарацией 6-4-фотопродуктов |
| Ku70 | Негомологичное соединение концов | более короткая продолжительность жизни, более раннее начало патологий, связанных со старением; стойкие очаги белков репарации двухцепочечных разрывов ДНК |
| Ku80 | Негомологичное соединение концов | более короткая продолжительность жизни, более раннее начало патологий, связанных со старением; дефектная репарация спонтанного повреждения ДНК |
| Ламин A | Негомологичное соединение концов, Гомологичная рекомбинация | усиление повреждений ДНК и хромосомных аберраций; прогерия ; аспекты преждевременного старения; измененная экспрессия множества факторов репарации ДНК |
| NRMT1 | Нуклеотидная эксцизионная репарация | мутация в NRMT1 вызывает уменьшение размеров тела, женское бесплодие, кифоз, снижение митохондриальной функции и раннее начало дегенерации печени |
| RECQL4 | эксцизионная репарация оснований, эксцизионная репарация нуклеотидов, гомологичная рекомбинация, негомологичное соединение концов | мутации в RECQL4 вызывают синдром Ротмунда-Томсона с алопецией, редкие брови и ресницы, катаракта и остеопороз |
| SIRT6 | эксцизионная репарация основания, эксцизионная репарация нуклеотидов, гомологичная рекомбинация, негомологичное соединение концов | У мышей с дефицитом SIRT6 развивается выраженная лимфопения, потеря подкожного жира и лордокифоз, и эти дефекты перекрываются с дегенеративными процессами, связанными со старением |
| SIRT7 | Негомологичное соединение концов | мыши с дефектом SIRT7 проявляют фенотипические и молекулярные признаки ускоренного старения, такие как преждевременное выраженное искривление o f позвоночник, сокращение продолжительности жизни и уменьшение негомологичного соединения концов |
| геликаза синдрома Вернера | Гомологичная рекомбинация, негомологичное соединение концов, эксцизионная репарация основания, Восстановление после остановки репликации | более короткая продолжительность жизни, более раннее начало патологий, связанных со старением, нестабильность генома |
| ZMPSTE24 | Гомологичная рекомбинация | отсутствие Zmpste24 предотвращает образование ламина А и вызывает прогероидные фенотипы у мышей и людей, повышенное повреждение ДНК и хромосомные аберрации, чувствительность к повреждающим ДНК агентам и дефицит гомологичной рекомбинации |
В таблице 2 перечислены белки репарации ДНК, повышенная экспрессия которых связана с увеличенной продолжительностью жизни.
| Белок | Pathway | Описание |
|---|---|---|
| NDRG1 | Прямое обращение | долгоживущие карликовые мыши Снелла, GHRKO и PAPPA-KO мыши имеют повышенную экспрессию NDRG1; более высокая экспрессия NDRG1 может способствовать стабильности белка MGMT и усиленной репарации ДНК |
| NUDT1 (MTH1) | Удаление окисленных нуклеотидов | разрушает 8-oxodGTP; предотвращает зависящее от возраста накопление ДНК 8-оксогуанин Трансгенная мышь, в которой экспрессируется человеческая hMTH1 8-oxodGTPase, вызывая сверхэкспрессию hMTH1, увеличивает среднюю продолжительность жизни мышей до 914 дней по сравнению с 790 днями для мышей дикого типа. Мыши со сверхэкспрессией hMTH1 имеют поведенческие изменения: снижение тревожности и усиление исследования экологических и социальных сигналов |
| PARP1 | эксцизионная репарация основания, эксцизионная репарация нуклеотидов, опосредованная микрогомологией соединение концов, восстановление однонитевого разрыва | PARP1 активность в клетках крови тринадцати видов млекопитающих (крысы, морские свинки, кролики, мартышки, овцы, свиньи, крупный рогатый скот, пигмеи шимпанзе, лошади, ослы, гориллы, слон и человек) коррелирует с максимальной продолжительностью жизни вида. |
| SIRT1 | Нуклеотидная эксцизионная репарация, Гомологичная рекомбинация, Негомологичное соединение концов | Повышенная экспрессия SIRT1 у самцов мышей продлевает продолжительность жизни мышей, получавших стандартную диету, сопровождается улучшением здоровья, включая улучшение координации движений, работоспособности, минеральной плотности костной ткани и чувствительности к инсулину |
| SIRT6 | Базовое эксцизионное восстановление, Эксцизионная репарация нуклеотидов, гомологичная рекомбинация, негомологичное концевое соединение g | самцы, но не самки трансгенных мышей со сверхэкспрессией Sirt6 имеют значительно более длительную продолжительность жизни, чем мыши дикого типа |
Исследования, сравнивающие способность к репарации ДНК у различных видов млекопитающих, показали, что ремонтопригодность коррелирует с продолжительностью жизни. Первоначальное исследование этого типа, проведенное Хартом и Сетлоу, показало, что способность фибробластов кожи семи видов млекопитающих выполнять восстановление ДНК после воздействия повреждающего ДНК агента коррелировала с продолжительностью жизни вида. Изучаемые виды: землеройка, мышь, крыса, хомяк, корова, слон и человек. Это первоначальное исследование стимулировало множество дополнительных исследований с участием самых разных видов млекопитающих, и корреляция между способностью к восстановлению и продолжительностью жизни в целом сохранялась. В одном из недавних исследований Burkle et al. изучили уровень особого фермента, поли-АДФ-рибозной полимеразы, который участвует в репарации одноцепочечных разрывов в ДНК. Они обнаружили, что продолжительность жизни 13 видов млекопитающих коррелирует с активностью этого фермента.
Сравнивали репарацию ДНК транскриптомы печени человека, голого землекопа и мышей. Максимальная продолжительность жизни человека, голого землекопа и мыши составляет соответственно ~ 120, 30 и 3 года. Более долгоживущие виды, люди и голые землекопы экспрессировали гены репарации ДНК, в том числе основные гены в нескольких путях репарации ДНК, на более высоком уровне, чем мыши. Кроме того, несколько путей репарации ДНК у людей и голых землекопов были активированы по сравнению с мышами. Эти данные показывают, что усиление репарации ДНК способствует увеличению продолжительности жизни.
За последнее десятилетие в серии работ было показано, что основной состав митохондриальной ДНК (мтДНК) коррелирует с максимальной продолжительностью жизни видов животных. Считается, что основной состав митохондриальной ДНК отражает ее специфичные для нуклеотидов (гуанин, цитозин, тимидин и аденин) различные скорости мутаций (т. Е. Накопление гуанина в митохондриальной ДНК какого-либо вида животных происходит из-за низкой скорости мутации гуанина в митохондриях этот вид).
Лимфобластоидные клеточные линии, полученные из образцов крови людей, живших последние 100 лет (долгожители ), имеют значительно более высокую активность белка репарации ДНК Poly ( АДФ-рибоза) полимераза (PARP), чем клеточные линии от более молодых людей (от 20 до 70 лет). Лимфоцитарные клетки долгожителей обладают характеристиками, типичными для клеток молодых людей, как по их способности запускать механизм восстановления после H2O2 сублетального окислительного повреждения ДНК, так и по их PARP способности.
С возрастом женщины испытывают снижение репродуктивной функции, что приводит к менопаузе. Это снижение связано с уменьшением количества фолликулов яичников. Хотя от 6 до 7 миллионов ооцитов присутствуют в середине беременности в человеческом яичнике, только около 500 (около 0,05%) из этих овулируют, а остальные потеряны. Снижение овариального резерва, по-видимому, происходит с возрастающей скоростью с возрастом и приводит к почти полному исчерпанию резерва яичников примерно к 51 году. Поскольку овариальный резерв и фертильность снижаются с возрастом, также наблюдается параллельное увеличение числа случаев невынашивания беременности и мейотических ошибок, приводящих к хромосомным аномальным зачатиям.
BRCA1 и BRCA2 представляют собой гомологичные гены репарации рекомбинации. Роль снижения репарации двухцепочечных разрывов ДНК (DSB), опосредованной ATM ДНК, в старении ооцитов была впервые предложена Кутлуком Октаем, доктором медицины, на основании его наблюдений, что женщины с мутациями BRCA производят меньше ооцитов в ответ на репарацию стимуляцией яичников. Его лаборатория дополнительно изучила эту гипотезу и предоставила объяснение снижения овариального резерва с возрастом. Они показали, что с возрастом у женщин в ДНК их примордиальных фолликулов накапливаются двухцепочечные разрывы. Первичные фолликулы - это незрелые первичные ооциты, окруженные одним слоем клеток гранулезы. В ооцитах присутствует ферментная система, которая обычно точно восстанавливает двухцепочечные разрывы ДНК. Эта система репарации называется гомологичной рекомбинационной репарацией, и она особенно активна во время мейоза. Titus et al. из лаборатории Oktay также показали, что экспрессия четырех ключевых генов репарации ДНК, которые необходимы для гомологичной рекомбинационной репарации (BRCA1, MRE11, Rad51 и ATM ) decline in oocytes with age. This age-related decline in ability to repair double-strand damages can account for the accumulation of these damages,что затем, вероятно, способствует снижению резерва яичников, как далее объясняют Туран и Октай.
Женщины с наследственной мутацией в гене репарации ДНК BRCA1 преждевременно претерпевают менопаузу, что позволяет предположить, что естественная ДНК Повреждения ооцитов у этих женщин восстанавливаются менее эффективно, и эта неэффективность приводит к ранней репродуктивной недостаточности. Геномные данные примерно 70000 женщин были проанализированы для выявления вариаций кодирования белков, связанных с возрастом при естественной менопаузе. Анализ пути выявил основную ассоциацию с генами ответа на повреждение ДНК, особенно с генами, экспрессируемыми во время мейоза и включающими общий вариант кодирования в гене BRCA1.
Самым важным фактором риска сердечно-сосудистых заболеваний является хронологическое старение. Несколько исследовательских групп рассмотрели доказательства ключевой роли повреждения ДНК в старении сосудов.
Атеросклеротическая бляшка содержит гладкомышечные клетки сосудов, макрофаги и эндотелиальные клетки, и было обнаружено, что они накапливают 8-oxoG, распространенный тип окислительного повреждения ДНК. Разрывы цепей ДНК также увеличиваются в атеросклеротических бляшках, таким образом связывая повреждение ДНК с образованием бляшек.
синдром Вернера (WS), состояние преждевременного старения у людей, вызывается генетическим дефектом в геликазе RecQ, который используется в нескольких процессах репарации ДНК. У пациентов с WS образуется значительное количество атеросклеротических бляшек в их коронарных артериях и аорте. Эти данные связывают чрезмерное повреждение неисправленной ДНК с преждевременным старением и ранним развитием атеросклеротических бляшек.
Эндогенные, естественные повреждения ДНК встречаются часто, и у людей включают в среднем около 10 000 окислительных повреждений в день и 50 двойных повреждений. разрывы нити ДНК за клеточный цикл [см. повреждение ДНК (естественное) ].
В нескольких обзорах обобщены доказательства того, что фермент метилирования DNMT1 задействован в участках окислительного повреждения ДНК. Рекрутирование DNMT1 приводит к метилированию ДНК в промоторах генов, чтобы ингибировать транскрипцию во время репарации. Кроме того, обзор 2018 года описывает рекрутирование DNMT1 во время репарации двухцепочечных разрывов ДНК. Локализация DNMT1 приводит к усилению метилирования ДНК вблизи сайта рекомбинационной репарации, связанного с измененной экспрессией репарированного гена. В общем, связанные с репарацией гиперметилированные промоторы восстанавливаются до своего прежнего уровня метилирования после завершения репарации ДНК. Однако эти обзоры также показывают, что временное привлечение эпигенетических модификаторов может иногда приводить к последующим стабильным эпигенетическим изменениям и молчанию генов после завершения репарации ДНК.
В ДНК человека и мыши цитозин, за которым следует гуанин (CpG), является наименее распространенным динуклеотидом, составляя менее 1% все динуклеотиды (см. подавление CG ). На большинстве сайтов CpG цитозин метилирован с образованием 5-метилцитозина. Как указано в статье Сайт CpG, у млекопитающих от 70% до 80% цитозинов CpG метилированы. Однако у позвоночных есть островки CpG, от 300 до 3000 пар оснований с длинными последовательностями ДНК, которые значительно отклоняются от среднего геномного паттерна из-за того, что они богаты CpG. Эти CpG-островки преимущественно неметилированы. У человека около 70% промоторов, расположенных с сайтом начала транскрипции гена (проксимальные промоторы), содержат островок CpG (см. островки CpG в промоутерах ). Если изначально неметилированные сайты CpG в островке CpG становятся в степени метилированными, это стабильное молчание ассоциированного гена.
У людей после достижения взрослого возраста и во время последующего старения большинства последовательностей CpG медленно теряют метилирование (так называемый эпигенетический дрейф). Однако островки CpG, контролирующие промоторы, имеют тенденцию к метилированию с возрастом. Усиление метилирования на CpG-островках в промоторных областях коррелирует с возрастом и было использовано для создания эпигенетических часов (см. Статью Эпигенетические часы ).
Может существовать некоторая связь между эпигенетическими часами и эпигенетическими изменениями, накапливающими после репарации ДНК. И невосстановленные повреждения ДНК, накопленные с возрастом, и накопленные метилирование CpG-остров заставляет замолчать гены, в которых они вызывают, мешают экспрессии белка и животных старению фенотипа.
